Aerodynamische Instabilitäten bei Wärmepumpen und Kälteanlagen

"Rotating Stall" und "Surge" bei Wärmepumpen, bzw. bei deren Verdichtern, sind aerodynamische Instabilitäten, die im Betrieb von Verdichtern auftreten können dies insbesondere bei reduzierten Durchflussmengen und erhöhtem Druck.

Rotating Stall (rotierender Stillstand) beschreibt eine Strömungsstörung, bei der lokal an einzelnen Verdichterschaufeln die Strömung abreißt und sich Ablösegebiete zum Laufrad in Umfangsrichtung bewegen. Dabei wird die Strömung vorübergehend "blockiert" und durch die verbleibenden offenen Kanäle umverteilt, was zu wechselnden Biegebeanspruchungen an den Schaufeln führt.

Dieses Phänomen führt zu Leistungsverlusten und kann Schaufelschwingungen (Vibrationen) verursachen, die die Lebensdauer der Verdichterlaufräder herabsetzen können. Zusätzlich werden die Schallemissionen der Wärmepume erhöht.

Surge (Pumpen) tritt bei noch größeren Fehlanpassungen auf, wenn der Massenstrom unter einen kritischen Wert sinkt. Dann bricht der Druckaufbau im Verdichter zusammen, und es kommt zu periodischen Druck- und Durchflussumkehrungen, wobei das komprimierte Gas zeitweise in umgekehrter Richtung strömt. Dieser Vorgang kann sich zyklisch mit für den Menschen hörbaren Geräuschen wiederholen und führt zu starken Leistungsverlusten und mechanischer Belastung.

Ursachen für beide Phänomene sind in der Regel Zustände, bei denen der Verdichter nicht mehr in seinem stabilen Betriebsbereich arbeitet. Die Strömung am Laufrad kann auseinanderbrechen, weil z.B. der Förderstrom zu gering ist, der Druckaufbau zusammenbricht oder es eine dynamische Druck- oder Massenstromschwankung gibt.

Zur Abgrenzung:
Rotating Stall ist eine lokale, weniger intensive Form mit einzelnen Strömungsabrissen, während Surge ein kompletter Strömungszusammenbruch und Druckumkehr ist.

Bei der Auslegung und Regelung von Verdichtern in Wärmepumpen wird daher in der Regel versucht, diese Betriebszustände zu vermeiden, z.B. durch Anti-Surge-Regelungen.

Eine falsche Auslegung von Wärmepumpen kann das Risiko für „Rotating Stall“ und „Surge“ erheblich erhöhen und kann damit auch zu höheren Schallemissionen der Anlagen führen als diese in den Hersteller Dokumenten ausgewiesen sind.

Zudem kann durch regelmässige Wartung ein „Rotation Stall“ verhindert werden.  Sollte bei der Wärmepumpe ein Stocken oder Aussetzen des Rotors/ Kompressors auftreten, ist eine Diagnose und Reparatur nötig, da dies auf Probleme im Kältemittelkreislauf mechanische Schäden, elektrische Fehler oder andere Probleme hinweisen kann. ​